Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Системы проветривания крупных современных шахт являются достаточно сложными комплексами горных сооружений и установок, призванных обеспечить безопасную и производительную работу горняков. Без эффективной ее работы невозможно реализовать основной технологический процесс добычи угля. Поэтому систему вентиляции можно отнести к важнейшему технологическому процессу угольных шахт, целью которого является обеспечение жизнедеятельности и комфортных условий работы горняков и ликвидация опасной концентрации метана в рудничной атмосфере.

Работы в области автоматизации управления проветриванием шахт на системной основе интенсивно ведутся большим количеством исследователей, начиная с 60–х годов. Выполненные за это время теоретические исследования и эксперименты позволили получить важные практические результаты. Были разработаны и испытаны в шахтных условиях ряд подсистем автоматизированного контроля и управления проветриванием угольных шахт.

Задача автоматизированного управления вентиляцией включает в себя ряд взаимосвязанных подзадач по определению потребного по газовому фактору дебита воздуха на участке и отработки оптимальным образом расходов воздуха на добычных участках. При этом на метанообильных участках под желаемым качеством процессов управления понимается прежде всего обеспечение условий безопасности – ограничение концентрации метана в процессе регулирования на безопасном уровне. В силу того, что в соответствии с правилами безопасности перераспределение расхода воздуха сопровождается остановкой горных работ, важнейшим качеством алгоритмов управления является также минимизация времени отработки требуемых дебитов воздуха и, следовательно, уменьшение времени простоев участков.

1. Математическое описание аэрогазодинамических процессов

Газодинамические процессы в вентиляционной сети выемочных участков угольных шахт определяются совокупностью дебитов газа из спутника (рис.1.1), из груди разрабатываемого пласта (рис.1.2) и их взаимодействием с воздушным потоком в выработках и пористой среде выработанного пространства [1,2]. В общем случае каждый из этих элементов и вентиляционная сеть участка представляют систему с распределенными параметрами, и неустановившиеся переходные процессы по газу в сети описываются сложными уравнениями движения метановоздушной смеси в частных производных [2]. Математическая модель движения метановоздушной смеси участка является наиболее точной и играет определяющую роль для исследования и установления физической сущности нестационарных процессов по газу. Однако в задачах управления может быть использована более простая модель в силу того, что граничная частота метановыделения в лаве (рис.1.2) и пластов – спутников (рис.1.1), которые представляют основные возмущения по газу на участке, является чрезвычайно низкой и не превышает ωмгр≈0.001с-1 [3]. Рабочая полоса частотной характеристики модели участка по газу является достаточно узкой, что позволяет не учитывать распределенность аэрогазодинамических параметров участка в математической модели участка как объекта управления. В связи с этим, для интерпретации динамических свойств участка как объекта управления вполне обоснованно использовать схему с полным перемешиванием метана и воздуха вдоль движения метановоздушной смеси, которая при низком темпе возмущений по газу с достаточной для практики точностью эквивалентна распределенным в пространстве газодинамическим процессам в вентиляционной сети выработанного пространства участка. Заметим, однако, что усредненные динамические характеристики упрощенной математической модели участка с сосредоточенными параметрами должны быть достаточно точными с позиции систем управления по газу и адекватно отражать те динамические свойства газодинамической модели участка, которые способны заметным образом влиять на устойчивость и поведение системы управления по газовому фактору. Ввиду сложности проведения шахтных опытов на каждом конкретном выемочном участке с целью идентификации их газодинамических параметров, кроме того, практически важно определить в модели конкретный физический смысл газодинамических параметров и методику их расчета без проведения специальных шахтных экспериментов – по значениям штатных или легко измеряемых в процессе проведения горных работ горнотехнических параметров вентиляционной сети участка.

Обобщенная схема движения газа из спутника в выработанное пространство разрабатываемого пласта

Рис. 1.1. Обобщенная схема движения газа из спутника в выработанное пространство разрабатываемого пласта

Qмсп – дебит метана из разрушенной части спутника через зону обрушения пород в выработанное пространство лавы

Рис. 1.2. Обобщенная схема движения газовоздушной смеси в выработках и выработанном пространстве выемочного участка. Анимация: (5 кадров, 500 мс период переключения, 7 повторений)

Рис. 1.2. Обобщенная схема движения газовоздушной смеси в выработках и выработанном пространстве выемочного участка

Анимация: (5 кадров, 500 мс период переключения, 7 повторений)

Q – дебит воздуха на участке;

С – концентрация метана в исходящей струе участка;

Qут – дебит утечек воздуха через выработанное пространство;

Qл – расход воздуха в лаве;

Qпл – дебит метана в лаву из груди разрабатываемого пласта;

Qмсп – дебит метана из спутника;

Смут – концентрация метана в утечках воздуха через выработанное пространство;

Qмв – общий дебит метана из выработанного пространства;

Qму – общий дебит метана в исходящей струе участка.

Регулируемой координатой участка в контуре управления по газу является концентрация метана в наиболее опасной по газу горной выработке участка, определяемой правилами техники безопасности. При отработке пласта, например, прямым ходом, таким регулируемым параметром является концентрация метана в исходящей струе участка (рис.1.2). При разработке газодинамической модели таких участков кроме выделения газа из груди забоя и спутников необходимо учитывать содержание газа в утечках воздуха из выработанного пространства (рис.1.2). Поэтому в общем случае полное математическое описание участка как объекта управления с сосредоточенными параметрами должно включать систему дифференциальных уравнений газодинамических процессов как в выработках, так и в утечках из выработанного пространства.

Таким образом, основными проблемными вопросами построения математической модели вентиляционной сети участка как объекта управления по газу является разработка уравнений переходных процессов газодинамики в выработках и выработанном пространстве вентиляционной сети участка.

Для ограниченного частотного диапазона внешних возмущений по газу можно считать [1], что концентрация метана на всем протяжении выработок участка является однородной, а инерционность газодинамических процессов определяется в основном скоростью перемешивания воздуха и газа во всем объеме горной выработки.

Для описания и анализа динамики процессов управления на выемочном участке воспользуемся разработанной приближенной математической моделью [4] процессов газовыделения из выработанного пространства и изменения концентрации метана в исходящей струе участка:

dqв/dt +(1/Tв)*qв=(1/Tв)*qсп+mU; (1.1)

k=Θл*qл+Θв*qв-G; (1.2)

dGз/dt=U; (1.3)

G(t)=Gз(t)+Gв(t); (1.4)

где: Gз – заданное значение дебита воздуха на участке; Gв – возмущения по воздуху, U – скорость изменения расхода воздуха на участке, принятая в системе регулирования в качестве управляющего воздействия; Qм – дебит метана на участке; G – относительное изменение расхода воздуха на участке; q – относительное изменение дебита метана на участке; Т – время однократного обмена воздуха на участке; Q0, Q0м – номинальные значения соответственно расхода воздуха и дебита метана; С – концентрация метана в исходящей струе участка. Очевидно, что q(t)≥-1.

2. Разработка алгоритмов безопасного диспетчерского управления проветриванием выемочных участков

Общая задача контроля и автоматизированного управления проветриванием участков включает в себя ряд взаимосвязанных задач по определению состояния вентиляционной сети, регулированию режимов работы вентиляторов главного проветривания, перераспределению воздуха между главными выработками и оптимизации по критерию безопасности режимов проветривания добычных участков [5, 6, 7]. При регулировании участков по газовому фактору предполагается, что диспетчер на основе данных о текущем газовыделении определяет оптимальный режим проветривания участка по газу и формирует соответствующие этому режиму задания (уставки) по расходу и концентрации метана на входе исполнительного блока (ИБ) регулятора расхода воздуха, который под контролем и наблюдением диспетчера отрабатывает заданный расчетный (номинальный) режим проветривания участка. При этом в силу низкочастотного спектра возмущений по газу при переводе участка в желаемое состояние возмущения по газу остаются квазистационарными и расчетное желаемое состояние участка остается неизменным в процессе диспетчерского управления. Естественно, что для минимизации времени отработки штатного режима проветривания перевод участка в новое расчетное состояние целесообразно осуществлять наилучшим (оптимальным) по быстродействию образом, а при наличии на участке необходимых вентиляционных ресурсов, с ограничением концентрации метана на безопасном уровне. Фрагмент возможной структуры регулируемых участков в шахтной вентиляционной сети показан на рис.2.1.

Структурная схема регулируемых участков фрагмента тестовой ШВС

Рис. 2.1. Структурная схема регулируемых участков фрагмента тестовой ШВС: ДQ – датчик расхода воздуха; ДС – датчик концентрации метана; Qж1,Qж2 – желаемый расход воздуха на участках; R1', R2' – регулируемое сопротивление участка

Разработке эффективных способов отработки на выемочных участках желаемого дебита воздуха посвящено значительное количество работ [8]. Однако в силу неминимально–фазового характера переходных процессов по газу на участках (наличия «всплесков» концентрации метана) и существенной инерционности газодинамических процессов решение проблемы безопасного и эффективного маневрирования дебитом воздуха с целью установления требуемого уровня концентрации метана на добычных участках все еще далеко от завершения.

Разработка новых подходов к установлению желаемого расхода на метанообильных добычных участках осуществлялась для условий контура диспетчерского регулирования проветриванием участков (рис.2.2).

Обобщенная структура контура диспетчерского управления участком по газу

Рис. 2.2. Обобщенная структура контура диспетчерского управления участком по газу

Основой блока управления по газовому фактору является блок оптимального управления, построенный на основе данных о желаемом (Gж) и текущем (G) расходах воздуха, допустимом (kдоп), расчетном (номинальном) (kж) и текущем (k) уровне концентрации метана.

Целью регулирования является отработка оптимальным по быстродействию заданного (желаемого) расхода воздуха Gж и расчетного штатного режима по концентрации метана, т.е. установление концентрации метана на штатном (номинальном) уровне (kж=kшт=0) при наличии возмущающего воздействия по газу (например, при qл≠0). При этом для обеспечения безопасных условий работы шахтеров концентрация метана при наличии на участке необходимых вентиляционных ресурсов в процессе управления не должна превышать некоторого допустимого расчетного уровня (kдоп).

Будем предполагать, что в расчетном (номинальном) режиме абсолютное значение концентрации метана Сшт=С0=0.75%, т.е. поддерживается на 25% меньше предельно допустимого значения концентрации метана, равного Сдоп=1%. Таким образом, в процессе безопасного регулирования расхода воздуха предельно допустимое относительное приращение концентрации метана определяется уровнем kдоп=(1%-0.75%)/0.75% =0.33.

Ввиду значительной инерционности газодинамических процессов на участке желательным качеством оптимального алгоритма управления является минимизация времени отработки заданного режима проветривания. Естественно, что при наличии вентиляционных ресурсов необходимым условием корректного управления является ограничение концентрации метана на безопасном уровне кдоп=0.33 в переходном режиме.

Для обеспечения наилучшего по быстродействию управления в соответствии с теоремой Фельдбаума «об n интервалах» выемочный участок, описываемый системой второго порядка (1.1–1.3), должен иметь максимально две линии оптимальных по быстродействию фазовых траекторий при предельно допустимых значениях управления (U=±Um) и одно переключение знака управления (точку реверса). Для формирования момента переключения управляющего воздействия построим из заданного желаемого состояния участка методом «попятного» движения линии переключения в фазовой плоскости «G–k» при максимально допустимых значениях управления U=±Um [9].

Выводы

Основные результаты исследований сводятся к следующему.

  1. Методами фазовой плоскости разработан новый логический закон квазиоптимального по быстродействию дискретного управления проветриванием участков при отработке желаемого конечного состояния участка с ограничением концентрации метана на расчетном допустимом уровне, отличающийся тем, что блок формирования управляющих воздействий использует скользящие режимы.
  2. Показано, что при определенных нештатных режимах проветривания перевод участка в желаемое состояние неосуществим оптимальным образом без превышения концентрацией метана расчетного безопасного уровня.
  3. Методами математического моделирования аэрогазодинамических процессов при диспетчерском безопасном регулировании участков в управляемой модели шахтной вентиляционной сети с распределенными параметрами и использовании разработанных средств программной поддержки процессов диспетчерского регулирования расходов воздуха подтверждена работоспособность разработанных алгоритмов.

Дальнейшие разработки связаны с внедрением разработанного алгоритма управления в реальную систему управления проветривания выемочных участков угольных шахт.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: зима 2014-2015 гг. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Касимов О.И. Физическая сущность и некоторые закономерности переходных газодинамических процессов на выемочных участках шахт Донбасса / О.И. Касимов, И.Н. Попов. – В кн.: Аэродинамические процессы на выемочных участках угольных шахт. – Киев: ИТТ АН УССР, 1965. – С.3–8.
  2. Фельдман Л.П. Уравнения неустановившегося движения метано–воздушной смеси в выработках и выработанном пространстве участка. / Л.П. Фельдман. – В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев: Техника, 1971, вып.22. – С.95–105.
  3. Петров Н.Н. Методы синтеза систем автоматического регулирования вентиляторов главного проветривания./ Н.Н. Петров, П.Н. Ермолаев, П.Т.Пономарев. В кн. «Автоматическое управление в горном деле». Сб. научных трудов. – Новосибирск ИГД СО АН СССР, 1971. – С. 23–49.
  4. Чередникова О. Ю. Синтез и исследование алгоритмов оптимального по быстродействию управления. – Донецк. 2013, ст.
  5. Назаренко В.И. Разработка и исследование системы диспетчерского управления проветриванием шахт методами математического моделирования.: Дис. канд. техн. наук. / Назаренко Виктор Иванович. – Донецк, 1974. – 222с.
  6. Автоматизированная система контроля и прогнозирования состояния рудничной атмосферы угольных шахт./ Лапко В.В. и др. Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем, випуск 10: – Донецьк, ДонДТУ, 1999. – С. 253 – 258.
  7. Аппаратно–программный комплекс автоматизации контроля состояния рудничной атмосферы / [Святный В.А., Лапко В.В., Достлев Ю.С., Краснокутский В.А., Иванов А.Ю.] // Донбасс–2020: Наука и техника – производству: матер. науч.–практ. конф., 5–6 янв. 2002г..–Донецк : ДонНТУ, 2002. – С.163–173.
  8. Абрамов Ф.А. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии / Абрамов Ф.А., Фельдман Л.П., Святный В.А. – К.: Наук. думка, 1981. – 284 с.
  9. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Часть 2. Специальные линейные и нелинейные системы автоматического регулирования одной величины. / А.А. Воронов. – М.: Энергия, 1966. – 325с.
  10. Черных И.В. Simulink: Инструмент моделирования динамических систем [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.matlab.exponenta.ru, свободный.